Динамика: шпаргалка-пакет

Листы формул, ключевые шаги методов по каждой теме и тренировочные задачи (20) с полными решениями в конце.

Новые задачиНазад к курсу

В окне печати выберите «Сохранить как PDF», чтобы сохранить копию на своём устройстве.

1Формулы и методы

Кинематика

Скорость
v = v0 + a·t
Перемещение
s = v0·t + ½·a·t²
Без времени
v² = v0² + 2·a·s
Единицы
1 m/s = 3,6 km/h

Метод

  1. Выпишите известное: v₀, v, a, t и s с единицами.
  2. Выберите уравнение, содержащее три известных величины и неизвестную.
  3. Выберите одно положительное направление и припишите противоположно направленным величинам знак минус.
  4. Решите и проверьте, что ответ физически разумен.

Законы Ньютона

Второй закон
ΣF = m·a
Вес
W = m·g
Трение скольжения
Ff = μ·N
На наклонной плоскости
вдоль: m·g·sin θ, по нормали: m·g·cos θ

Метод

  1. Нарисуйте расчётную схему со всеми силами, действующими на тело.
  2. Выберите положительное направление вдоль движения.
  3. Разложите силы на составляющие вдоль движения и перпендикулярно ему (на наклонной плоскости: m·g·sin θ вдоль, m·g·cos θ перпендикулярно плоскости).
  4. Примените ΣF = m·a вдоль движения; трение равно μ·N и направлено против движения.

Движение тела, брошенного под углом

Составляющие
vx = v0cos θ, vy = v0sin θ
Положение
x = vxt, y = h + vyt − ½gt²
Максимальная высота
H = h + vy²/(2g)
Дальность (ровная поверхность)
R = v0²·sin 2θ/g

Метод

  1. Разложите начальную скорость на составляющие: vx = v₀·cos θ и vy = v₀·sin θ.
  2. По горизонтали скорость постоянна; по вертикали ускорение равно −g.
  3. Найдите время полёта из вертикального движения.
  4. Подставьте это время в горизонтальное движение, чтобы найти дальность.

Движение по окружности

Центростремительное ускорение
a = v²/r = ω²·r
Центростремительная сила
F = m·v²/r
Угловая скорость
ω = v/r = 2π/T
Горизонтальный поворот, трение
vmax = √(μ·g·r)

Работа и энергия

Кинетическая энергия
Ek = ½mv²
Потенциальная энергия
Ep = mgh
Энергетический баланс
Ek1 + Ep1 + W = Ek2 + Ep2 + losses
Работа силы трения
W = μ·N·d
Мощность
P = W/t

Импульс и столкновения

Импульс
p = m·v
Сохранение
Σm·v (before) = Σm·v (after)
Абсолютно неупругий удар
v′ = (m1v1 + m2v2)/(m1 + m2)
Импульс силы
J = F·Δt = m·Δv

Метод

  1. Выберите положительное направление и припишите каждой скорости её знак.
  2. Запишите полный импульс до удара: Σm·v.
  3. При абсолютно неупругом ударе тела после него движутся вместе; при упругом сохраняется ещё и кинетическая энергия.
  4. Приравняйте импульс до удара импульсу после и решите.

Вращение твёрдого тела

Моменты инерции относительно G
стержень mL²/12, диск ½mR², кольцо mR², сплошной шар (2/5)mR², полый шар (2/3)mR²
Теорема о параллельном переносе осей
I = IG + m·d²
Радиус инерции
I = m·k²
Стержень относительно конца
I = mL²/3
Уравнение движения
ΣM = I·α
Скорость в rad/s
ω = 2π·n/60
Кинетическая энергия
E = ½·I·ω²
Работа и мощность
W = T·θ, P = T·ω
Качение без проскальзывания
v = ω·r, E = ½mv²(1 + I/(mr²)), a = g·sin θ/(1 + I/(mr²))
Момент импульса
L = I·ω, I1ω1 = I2ω2
Удар по шарнирному телу
m·v·d = I·ω

Метод

  1. Выберите ось: неподвижный шарнир или центр масс для катящихся тел.
  2. Найдите момент инерции относительно этой оси по стандартным результатам, используя I = IG + m·d² для смещённой оси.
  3. Выберите метод: ΣM = I·α для ускорений и сил, энергия (½·I·ω² + ½·m·v² + m·g·h) для скоростей, момент импульса для ударов и внезапных изменений.
  4. Свяжите линейное и угловое движение формулами v = ω·r и a = α·r и переведите rpm в rad/s.

Зубчатые колёса и передачи

Зацепление колёс
n1·N1 = n2·N2
Крутящий момент
T2 = T1·(N2/N1)·η
Мощность
P = T·ω, ω = 2π·n/60
Многоступенчатая передача
общее передаточное отношение = произведение передаточных отношений ступеней

Пружины и маятники

Груз на пружине
T = 2π·√(m/k)
Маятник
T = 2π·√(L/g)
Угловая частота
ω = √(k/m) = 2π/T
Наибольшие скорость и ускорение
vmax = A·ω, amax = A·ω²
Энергия
E = ½·k·A²

Механические колебания

Собственная частота
ωn = √(k/m), fn = ωn/(2π)
По статическому прогибу
ωn = √(g/δst)
Критическое демпфирование
cc = 2√(km) = 2mωn
Коэффициент демпфирования
ζ = c/cc
Частота затухающих колебаний
ωd = ωn√(1 − ζ²)
Логарифмический декремент
δ = (1/n)·ln(x0/xn), ζ = δ/√(4π² + δ²)
Параллельные пружины
k = k1 + k2
Последовательные пружины
1/k = 1/k1 + 1/k2

2Тренировочные задачи

1.КинематикаСредняя
t (s)v (m/s)5 s25

Автомобиль, едущий со скоростью 90 km/h, тормозит с постоянным замедлением 5 m/s² до полной остановки. Найдите тормозной путь s.

v₀ = 90 km/ha = −5 m/s²v = 0
s = m
2.КинематикаСложная
t (s)v (m/s)6 s

Трамвай трогается с места и разгоняется с ускорением 1,5 m/s² в течение 6 s, затем движется с постоянной скоростью 7 s и, наконец, тормозит с замедлением 3 m/s² до остановки. Найдите полный путь s между двумя остановками.

a1 = 1,5 m/s²t1 = 6 st2 = 7 sa3 = −3 m/s²
s = m
3.Законы НьютонаСредняя
25 kg25°F = 180 Nμ = 0,2

Санки массой 25 kg тянут по горизонтальному снегу верёвкой под углом 25° к горизонту с силой 180 N. Коэффициент трения скольжения равен 0,2. Примите g = 9,81 m/s². Найдите ускорение a санок.

m = 25 kgF = 180 Nθ = 25°μ = 0,2g = 9,81 m/s²
a = m/s²
4.Законы НьютонаСложная
θ = 15°брусокv₀ = 5 m/s

Бруску сообщают толчок, и он начинает скользить вверх по наклонной плоскости под углом 15° со скоростью 5 m/s. Коэффициент трения скольжения равен 0,2. Примите g = 9,81 m/s². Какое расстояние d вдоль плоскости он проскользит до остановки?

v₀ = 5 m/sθ = 15°μ = 0,2g = 9,81 m/s²
d = m
5.Движение тела, брошенного под угломСредняя
25 my = ?v0​ = 20 m/s60°

Мяч бьют с горизонтальной поверхности со скоростью 20 m/s под углом 60° к горизонту в сторону стены, находящейся на расстоянии 25 m. Пренебрегите сопротивлением воздуха и примите g = 9,81 m/s². На какой высоте y мяч пролетает у стены?

v₀ = 20 m/sθ = 60°x = 25 mg = 9,81 m/s²
y = m
6.Движение тела, брошенного под угломСложная
h = 10 mv0​ = 23 m/s35°α = ?

Мяч бросают со скоростью 23 m/s под углом 35° к горизонту с вершины обрыва высотой 10 m. Пренебрегите сопротивлением воздуха и примите g = 9,81 m/s². Под каким углом α к горизонту (ниже горизонта) он ударяется о землю?

v₀ = 23 m/sθ = 35°h = 10 mg = 9,81 m/s²
α = °
7.Движение по окружностиСредняя
r = 1,8 mω = ?

В аттракционе «ротор» посетители стоят у стенки вертикального цилиндра радиусом 1,8 m. Когда он вращается достаточно быстро, пол опускается, и их удерживает трение. Коэффициент трения покоя равен 0,3. Примите g = 9,81 m/s². Найдите наименьшую угловую скорость ω в rad/s.

r = 1,8 mμs = 0,3g = 9,81 m/s²
ω = rad/s
8.Движение по окружностиСложная
r = 1 m8 m/svtop​ = ?

Шарик массой 1,6 kg на лёгкой нити длиной 1 m вращают по вертикальной окружности. В нижней точке его скорость 8 m/s. Пренебрегите сопротивлением воздуха и примите g = 9,81 m/s². Найдите силу натяжения Ttop нити в верхней точке.

m = 1,6 kgr = 1 mvbottom = 8 m/sg = 9,81 m/s²
Ttop = N
9.Работа и энергияСредняя
30°d = 18 mμ = 0,2

Брусок массой 4 kg скользит 18 m по наклонной плоскости под углом 30° к горизонту с коэффициентом трения скольжения 0,2. Найдите работу Wf против силы трения.

m = 4 kgθ = 30°μ = 0,2d = 18 mg = 9,81 m/s²
Wf = J
10.Работа и энергияСложная
8 kg3 kgμ = 0,2d = 3 m

Брусок массой 8 kg лежит на шероховатом горизонтальном столе (μ = 0,2). От него лёгкая нить идёт через гладкий блок на краю стола к висящему грузу массой 3 kg. Систему отпускают из состояния покоя. Найдите скорость v грузов после того, как висящий груз опустится на 3 m.

m1 = 8 kgm2 = 3 kgμ = 0,2d = 3 mg = 9,81 m/s²
v = m/s
11.Импульс и столкновенияСредняя
2 kg7 m/s4 kg

Тележка массой 2 kg, движущаяся со скоростью 7 m/s, испытывает абсолютно упругий центральный удар с покоящейся тележкой массой 4 kg на дорожке без трения. Найдите скорость v′2 второй тележки после столкновения.

m1 = 2 kgm2 = 4 kgv1 = 7 m/sv2 = 0
v′2 = m/s
12.Импульс и столкновенияСложная
23 m/s12 m/s

Мяч массой 0,5 kg ударяется о стену со скоростью 23 m/s и отскакивает прямо назад со скоростью 12 m/s. Контакт длится 50 ms. Найдите среднюю силу Favg, с которой стена действует на мяч.

m = 0,5 kgvin = 23 m/svout = 12 m/sΔt = 50 ms
Favg = N
13.Вращение твёрдого телаСредняя
v = ?3 kgL = 1,2 mm = 8 kg

Однородный тонкий стержень массой 8 kg и длиной 1,2 m закреплён шарниром на одном конце и отпущен без начальной скорости из горизонтального положения. К его свободному концу прикреплён маленький шарик массой 3 kg. Пренебрегите трением и примите g = 9,81 m/s². Найдите скорость v свободного конца при прохождении стержнем вертикального положения.

m = 8 kgL = 1,2 mmball = 3 kgg = 9,81 m/s²
v = m/s
14.Вращение твёрдого телаСложная
600 m/s40 g1,81 mL = 1,9 m8 kg

Однородный тонкий стержень массой 8 kg и длиной 1,9 m неподвижно висит на шарнире без трения в своём верхнем конце. Пуля массой 40 g, летящая горизонтально со скоростью 600 m/s, попадает в стержень на 1,81 m ниже шарнира и застревает в нём. Найдите угловую скорость ω стержня сразу после удара.

M = 8 kgL = 1,9 mm = 40 gv = 600 m/sd = 1,81 m
ω = rad/s
15.Зубчатые колёса и передачиСредняя
d1​ = 150 mmd2​ = 500 mm720 rpmT1​ = 1500 NT2​ = 450 NP = ?

Ремень идёт по ведущему шкиву 150 mm с частотой 720 rpm. Натяжение равно 1500 N на ведущей ветви и 450 N на ведомой. Найдите передаваемую мощность P в kW.

d1 = 150 mmn1 = 720 rpmT1 = 1500 NT2 = 450 N
P = kW
16.Зубчатые колёса и передачиСложная
d1​ = 160 mmd2​ = 400 mm960 rpmC = 800 mmT1​ = 1500 NT2​P = ?

Открытый ремень соединяет ведущий шкив 160 mm с частотой 960 rpm со шкивом 400 mm; расстояние между центрами 800 mm. Коэффициент трения равен 0,35, а натяжение ведущей ветви не должно превышать 1500 N. Найдите наибольшую мощность P, которую ремень может передать без проскальзывания, в kW (центробежными эффектами пренебрегите).

d1 = 160 mmn1 = 960 rpmd2 = 400 mmC = 800 mmμ = 0,35T1 = 1500 N
P = kW
17.Пружины и маятникиСредняя
t (s)x (cm)0,95 s

Груз массой 1,3 kg на пружине с k = 150 N/m оттягивают на 4 cm в положительном направлении и отпускают без начальной скорости при t = 0. Найдите его смещение x от положения равновесия при t = 0,95 s (со знаком).

m = 1,3 kgk = 150 N/mA = 4 cmt = 0,95 s
x = cm
18.Пружины и маятникиСложная
2,7 kgk = 160 N/mA = 19 cm

Груз массой 2,7 kg на пружине с k = 160 N/m оттягивают на 19 cm от положения равновесия и отпускают. Найдите его наибольшую скорость vmax.

m = 2,7 kgk = 160 N/mA = 19 cm
vmax = m/s
19.Механические колебанияСредняя
k = 8 kN/mc = 70 N·s/mm = 25 kg

Груз массой 25 kg опирается на пружину жёсткостью 8 kN/m и вязкий демпфер с коэффициентом демпфирования 70 N·s/m. Найдите относительный коэффициент демпфирования ζ.

m = 25 kgk = 8 kN/mc = 70 N·s/m
ζ =
20.Механические колебанияСложная
k1​ = 20k2​ = 50m = 25 kg

Груз массой 25 kg висит на двух пружинах, соединённых друг за другом (последовательно): у верхней k₁ = 20 kN/m, у нижней k₂ = 50 kN/m. Найдите эквивалентную жёсткость keq системы пружин в kN/m.

m = 25 kgk1 = 20 kN/mk2 = 50 kN/m
keq = kN/m

3Растворы

1.Кинематика

Ответ: s = 62,5 m

Движение с постоянным ускорением: v = v₀ + a·t, s = v₀·t + ½·a·t² и v² = v₀² + 2·a·s. Выберите уравнение, в которое входят три известные величины и искомая, и следите за знаками относительно одного положительного направления.

Единицы

v₀ = 90/3,6 = 25 m/s

Тормозной путь

0 = v₀² − 2·a·s → s = v₀²/(2a) = 25²/(2·5) = 62,5 m

Ответ

s = 62,5 m
2.Кинематика

Ответ: s = 103,5 m

Движение с постоянным ускорением: v = v₀ + a·t, s = v₀·t + ½·a·t² и v² = v₀² + 2·a·s. Выберите уравнение, в которое входят три известные величины и искомая, и следите за знаками относительно одного положительного направления.

Наибольшая скорость

v = a1·t1 = 1,5·6 = 9 m/s

Путь на каждом этапе

s1 = ½·1,5·6² = 27 m
s2 = 9·7 = 63 m
s3 = 9²/(2·3) = 13,5 m

Полный путь

s = 27 + 63 + 13,5 = 103,5 m

Ответ

s = 103,5 m
3.Законы Ньютона

Ответ: a = 5,172 m/s²

Второй закон Ньютона: равнодействующая сил, действующих на тело, равна произведению его массы на ускорение, ΣF = m·a. Нарисуйте расчётную схему, выберите положительное направление вдоль движения и сложите все силы в этом направлении: приложенные силы, трение μ·N против движения и составляющие силы тяжести.

Сила нормальной реакции

N = m·g − F·sin θ = 245,3 − 180·sin 25° = 169,2 N

Горизонтальные силы

m·a = F·cos θ − μ·N = 163,1 − 33,84
a = 129,3/25 = 5,172 m/s²

Ответ

a = 5,172 m/s²
4.Законы Ньютона

Ответ: d = 2,819 m

Второй закон Ньютона: равнодействующая сил, действующих на тело, равна произведению его массы на ускорение, ΣF = m·a. Нарисуйте расчётную схему, выберите положительное направление вдоль движения и сложите все силы в этом направлении: приложенные силы, трение μ·N против движения и составляющие силы тяжести.

Замедление

Обе силы направлены вниз по склону; масса сокращается.

a = 9,81·(sin 15° + 0,2·cos 15°) = 4,434 m/s²

Путь

d = v₀²/(2a) = 5²/(2·4,434) = 2,819 m

Ответ

d = 2,819 m
5.Движение тела, брошенного под углом

Ответ: y = 12,65 m

Движение тела, брошенного под углом: без сопротивления воздуха x = vxt и y = h + vyt − ½gt². Оба направления независимы, их связывает только общее время.

Время до стены

vx = 20·cos 60° = 10 m/s
t = x/vx = 25/10 = 2,5 s

Высота в этот момент

y = 17,32·2,5 − ½·9,81·2,5² = 12,65 m

Ответ

y = 12,65 m

У стены мяч уже опускается.

6.Движение тела, брошенного под углом

Ответ: α = 45,6 °

Движение тела, брошенного под углом: без сопротивления воздуха x = vxt и y = h + vyt − ½gt². Оба направления независимы, их связывает только общее время.

Разложите начальную скорость

vx = 23·cos 35° = 18,84 m/s
vy0 = 23·sin 35° = 13,19 m/s

Вертикальная скорость при ударе

Закон сохранения энергии или v² = v₀² + 2as по вертикали.

vy = √(13,19² + 2·9,81·10) = 19,24 m/s

Угол падения

tan α = vy/vx = 19,24/18,84 → α = 45,6°

Ответ

α = 45,6°
7.Движение по окружности

Ответ: ω = 4,262 rad/s

Равномерное движение по окружности: тело, движущееся со скоростью v по окружности радиуса r, имеет ускорение a = v²/r, направленное к центру, поэтому на него должна действовать направленная к центру равнодействующая сила F = m·v²/r. Эту силу создаёт что-то реальное: трение, натяжение, сила тяжести или сила нормальной реакции.

Силы, действующие на посетителя

N = m·ω²·r
μ·N = m·g → μ·ω²·r = g

Угловая скорость

ω = √(g/(μ·r)) = √(9,81/(0,3·1,8)) = 4,262 rad/s

Ответ

ω = 4,262 rad/s
8.Движение по окружности

Ответ: Ttop = 23,92 N

Равномерное движение по окружности: тело, движущееся со скоростью v по окружности радиуса r, имеет ускорение a = v²/r, направленное к центру, поэтому на него должна действовать направленная к центру равнодействующая сила F = m·v²/r. Эту силу создаёт что-то реальное: трение, натяжение, сила тяжести или сила нормальной реакции.

Скорость в верхней точке

Кинетическая энергия переходит в потенциальную на высоте 2r.

vtop² = 8² − 4·9,81·1 = 24,76 m²/s²

Силы в верхней точке

Сила натяжения и сила тяжести обе направлены вниз, к центру.

T + m·g = m·vtop²/r
T = 1,6·24,76/1 − 1,6·9,81 = 23,92 N

Ответ

Ttop = 23,92 N
9.Работа и энергия

Ответ: Wf = 122,3 J

Теорема об изменении кинетической энергии: изменение кинетической энергии равно работе всех сил. Если записать тяжесть и пружины как потенциальную энергию (mgh и ½kx²), получается баланс: начальная энергия = конечная энергия + энергия, потерянная на трение (μN·d).

Сила трения

N = mg·cos θ = 39,24·0,866 = 33,98 N
F = μN = 0,2·33,98 = 6,797 N

Работа против трения

Wf = F·d = 6,797·18 = 122,3 J

Ответ

Wf = 122,3 J
10.Работа и энергия

Ответ: v = 2,737 m/s

Теорема об изменении кинетической энергии: изменение кинетической энергии равно работе всех сил. Если записать тяжесть и пружины как потенциальную энергию (mgh и ½kx²), получается баланс: начальная энергия = конечная энергия + энергия, потерянная на трение (μN·d).

Выделившаяся и потерянная энергия

m₂g·d = 29,43·3 = 88,29 J
μ·m₁g·d = 0,2·78,48·3 = 47,09 J

Кинетическая энергия обоих грузов

½(m₁ + m₂)v² = 41,2 → v = √(2·41,2/11) = 2,737 m/s

Ответ

v = 2,737 m/s
11.Импульс и столкновения

Ответ: v′2 = 4,667 m/s

Закон сохранения импульса: если во время столкновения внешние силы не действуют, суммарный импульс Σm·v до столкновения равен суммарному импульсу после. Скорость имеет направление, поэтому выберите положительное направление и скорости, направленные в противоположную сторону, берите со знаком минус. При упругом столкновении сохраняется и кинетическая энергия; при абсолютно неупругом тела слипаются.

Упругий удар о покоящееся тело

Совместное решение уравнений сохранения импульса и энергии даёт эти два результата.

v′1 = (2 − 4)/(2 + 4)·7 = −2,333 m/s
v′2 = 2·2/(2 + 4)·7 = 4,667 m/s

Ответ

v′2 = 4,667 m/s
12.Импульс и столкновения

Ответ: Favg = 350 N

Закон сохранения импульса: если во время столкновения внешние силы не действуют, суммарный импульс Σm·v до столкновения равен суммарному импульсу после. Скорость имеет направление, поэтому выберите положительное направление и скорости, направленные в противоположную сторону, берите со знаком минус. При упругом столкновении сохраняется и кинетическая энергия; при абсолютно неупругом тела слипаются.

Изменение импульса

J = m·Δv = 0,5·(12 + 23) = 17,5 N·s

Средняя сила

Favg = J/Δt = 17,5/0,05 = 350 N

Ответ

Favg = 350 N
13.Вращение твёрдого тела

Ответ: v = 5,393 m/s

Вращение вокруг неподвижной оси: сумма моментов относительно оси равна I·α (ΣM = I·α), так же как ΣF = m·a при поступательном движении. В энергетической форме момент T, поворачивающий тело на угол θ (в радианах), совершает работу T·θ, которая изменяет кинетическую энергию ½·I·ω²; сила тяжести добавляет или отнимает m·g·Δh центра масс. Мощность равна P = T·ω.

Убыль потенциальной энергии

m·g·L/2 + mball·g·L = 8·9,81·0,6 + 3·9,81·1,2 = 82,4 J

Момент инерции относительно шарнира

IO = m·L²/3 + mball·L² = 3,84 + 4,32 = 8,16 kg·m²

Энергетический баланс

½·IO·ω² = 82,4 → ω = √(2·82,4/8,16) = 4,494 rad/s
v = ω·L = 4,494·1,2 = 5,393 m/s

Ответ

v = 5,393 m/s
14.Вращение твёрдого тела

Ответ: ω = 4,452 rad/s

Качение и момент импульса: тело, катящееся без проскальзывания, имеет v = ω·r, поэтому его кинетическая энергия равна ½·m·v² + ½·I·ω² = ½·m·v²·(1 + I/(m·r²)). При движении по наклонной плоскости это даёт a = g·sin θ/(1 + I/(m·r²)). Когда относительно оси не действует внешний момент, момент импульса относительно этой оси сохраняется, I₁·ω₁ = I₂·ω₂, даже если кинетическая энергия теряется.

Момент инерции после удара

I = M·L²/3 + m·d² = 8·1,9²/3 + 0,04·1,81² = 9,758 kg·m²

Момент импульса относительно шарнира

Сила в шарнире проходит через шарнир, поэтому во время удара её момент относительно него равен нулю.

m·v·d = I·ω → ω = 0,04·600·1,81/9,758 = 4,452 rad/s

Ответ

ω = 4,452 rad/s
15.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: P = 5,938 kW

Ременные передачи: без проскальзывания обод обоих шкивов имеет одну и ту же скорость v = π·d·n/60, поэтому n₁·d₁ = n₂·d₂, а передаточное отношение равно d₂/d₁. Проскальзывание s делает ведомый шкив немного медленнее: n₂ = n₁·(d₁/d₂)·(1 − s). Передаваемая мощность равна P = (T₁ − T₂)·v, где T₁ — натяжение ведущей ветви, а T₂ — ведомой. Трение ограничивает отношение натяжений: T₁/T₂ = eμθ, где θ — угол обхвата в радианах на меньшем шкиве; для открытой передачи θ = π − 2·asin((d₂ − d₁)/(2C)) при межосевом расстоянии C.

Скорость ремня

v = 5,655 m/s

Мощность

P = (1500 − 450)·5,655 = 5938 W = 5,938 kW

Ответ

P = 5,938 kW
16.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: P = 7,6 kW

Ременные передачи: без проскальзывания обод обоих шкивов имеет одну и ту же скорость v = π·d·n/60, поэтому n₁·d₁ = n₂·d₂, а передаточное отношение равно d₂/d₁. Проскальзывание s делает ведомый шкив немного медленнее: n₂ = n₁·(d₁/d₂)·(1 − s). Передаваемая мощность равна P = (T₁ − T₂)·v, где T₁ — натяжение ведущей ветви, а T₂ — ведомой. Трение ограничивает отношение натяжений: T₁/T₂ = eμθ, где θ — угол обхвата в радианах на меньшем шкиве; для открытой передачи θ = π − 2·asin((d₂ − d₁)/(2C)) при межосевом расстоянии C.

Угол обхвата

θ = 2,84 rad

Натяжение ведомой ветви

eμθ = e0,9942 = 2,702, T₂ = 1500/2,702 = 555,1 N

Мощность

P = (1500 − 555,1)·8,042 = 7,6 kW

Ответ

P = 7,6 kW
17.Пружины и маятники

Ответ: x = −2,844 cm

Гармонические колебания: груз массой m на пружине жёсткостью k колеблется с угловой частотой ω = √(k/m) и периодом T = 2π/ω = 2π·√(m/k). Математический маятник длиной L имеет период T = 2π·√(L/g). При амплитуде A наибольшая скорость равна A·ω, наибольшее ускорение — A·ω², а энергия — ½·k·A².

Угловая частота

ω = √(150/1,3) = 10,74 rad/s
ω·t = 10,74·0,95 = 10,2 rad

Перемещение

x = A·cos(ω·t) = 4·cos(10,2) = −2,844 cm

Ответ

x = −2,844 cm
18.Пружины и маятники

Ответ: vmax = 1,463 m/s

Гармонические колебания: груз массой m на пружине жёсткостью k колеблется с угловой частотой ω = √(k/m) и периодом T = 2π/ω = 2π·√(m/k). Математический маятник длиной L имеет период T = 2π·√(L/g). При амплитуде A наибольшая скорость равна A·ω, наибольшее ускорение — A·ω², а энергия — ½·k·A².

Угловая частота

ω = √(160/2,7) = 7,698 rad/s

Наибольшая скорость

vmax = A·ω = 0,19·7,698 = 1,463 m/s

Ответ

vmax = 1,463 m/s
19.Механические колебания

Ответ: ζ = 0,07826

Свободные колебания системы «масса–пружина»: собственная частота без демпфирования ωn = √(k/m) в rad/s и fn = ωn/(2π) в Hz. Вязкий демпфер c даёт коэффициент демпфирования ζ = c/cc, где критическое демпфирование cc = 2·√(k·m) = 2·m·ωn. Система со слабым демпфированием (ζ < 1) колеблется с частотой ωd = ωn·√(1 − ζ²). Жёсткости параллельных пружин складываются, k = k₁ + k₂; у последовательных складываются обратные величины, 1/k = 1/k₁ + 1/k₂.

Критическое демпфирование

cc = 2·√(k·m) = 2·√(8000·25) = 894,4 N·s/m

Коэффициент демпфирования

ζ = c/cc = 70/894,4 = 0,07826

Ответ

ζ = 0,07826

ζ < 1, поэтому демпфирование слабое, и система совершает затухающие колебания.

20.Механические колебания

Ответ: keq = 14,29 kN/m

Свободные колебания системы «масса–пружина»: собственная частота без демпфирования ωn = √(k/m) в rad/s и fn = ωn/(2π) в Hz. Вязкий демпфер c даёт коэффициент демпфирования ζ = c/cc, где критическое демпфирование cc = 2·√(k·m) = 2·m·ωn. Система со слабым демпфированием (ζ < 1) колеблется с частотой ωd = ωn·√(1 − ζ²). Жёсткости параллельных пружин складываются, k = k₁ + k₂; у последовательных складываются обратные величины, 1/k = 1/k₁ + 1/k₂.

Эквивалентная жёсткость

Последовательные пружины передают одну и ту же силу, а их деформации складываются, поэтому складываются обратные величины: 1/k = 1/k1 + 1/k2.

1/keq = 1/20 + 1/50 → keq = 20·50/(20 + 50) = 14,29 kN/m

Ответ

keq = 14,29 kN/m

ExamProblems · examproblems.com/courses/dynamics